微組裝工藝流程

微組裝工藝流程基板的準備分為電路軟基板(RT/DUroid5880）的準備和陶瓷基板(AL2O3)的準備.電路軟基板要求操作者戴指套,將電路軟基板放在干凈的中性濾紙上,按圖紙用手術刀切割電路板邊框線和去除工藝線.要求電路軟基板的圖形符合圖紙要求，表面平整，沒有翹曲，外形尺寸比圖紙小0.1㎜～0.2㎜，切面平整.工藝線的去除切地,切口斷面與代線平面垂直，手指不允許不戴指套接觸鍍金層，以免造成氧化。陶瓷基板的準備，要求用細金剛砂紙打磨陶瓷基板，使邊緣整齊，無毛刺、無短路，然后用純凈水洗凈。基板清洗基板的清洗,通過超聲清洗進行。超聲清洗是利用超聲波在清洗液中的輻射,使液體震動產生數(shù)萬計的微小氣泡，這些氣泡在超聲波的縱向傳播形成的負壓區(qū)產生、生長，而在正壓區(qū)閉合，在這種空化效應的過程中,微小氣泡閉合時可以產生超過1000個大氣壓的瞬間高壓，連續(xù)不斷的瞬間高壓沖擊物體表面，使物體表面和微小縫隙中的污垢迅速剝落。因此,超聲波清洗對物體表面具有一定損傷性，經過多次實驗（此實驗未記錄實驗數(shù)據(jù)）,確定合理的超聲功率、去離子水用量以及清洗液的高度和清洗時間.具體清洗流程及參數(shù)設置如下：打開超聲清洗機，功率調至100瓦，加入去離子水,液面高度為60㎜~80㎜之間。將電路軟基板或陶瓷基板放入瓷盒中,倒入HT1清洗液,液面略高基板上表面3㎜～5㎜,然后將整個瓷盒放入超聲清洗機的支架上（水面低于清洗液2㎜～3㎜），清洗時間為Xmin～Xmin.將95%乙醇倒入瓷盒,液面略高于基板上表面3㎜~5㎜，然后將整個瓷盒放入超聲清洗機的支架上(水面低于清洗液2㎜～3㎜），清洗時間為Xmin～Xmin。將清洗完畢的基板放入X℃±3℃的烘箱中烘0.5h后，放入氮氣保護柜。通過上述多次實驗后確定的清洗工序,清洗完成后的基板表面無油污、雜質等殘留物.腔體的準備和清洗腔體的準備主要是用手術刀打凈毛刺,再用洗耳球打磨毛刺形成的雜質。腔體的清洗使用超聲波清洗機，具體清洗流程及參數(shù)設置如下:打開超聲清洗機，功率調至100瓦，倒入HT1清洗液，液面高度為60㎜~80㎜之間，將腔體放入超聲清洗機清洗液中,液面略高腔體上表面3㎜～5㎜，且液面高度不得超過80㎜,清洗時間為Xmin~Xmin。將95%乙醇倒入超聲波清洗機中，液面高度為60㎜～80㎜之間,將腔體放入超聲清洗機清洗液中，液面略高腔體上表面3㎜~5㎜，且液面高度不得超過80㎜，清洗時間為Xmin~Xmin。將清洗完畢的基板放入X℃±3℃的烘箱中烘0。5h后,放入氮氣保護柜.通過上述多次實驗后確定的清洗工序,清洗完成后的腔體表面無油污、雜質等殘留物。焊料/導電膠的準備焊料，主要使用錫鉛合金錫箔焊料(Pb37Sn63)，用鑷子將焊料展平,接著用鉛筆將壓塊形狀畫上，然后用剪刀沿畫痕剪成壓塊形狀。要求錫鉛合金錫箔焊料必須平展，不能有褶皺，壓塊大小和焊料一致，不允許未戴指套直接觸摸焊料。焊料的清洗使用超聲波清洗機,具體清洗流程及參數(shù)設置如下:打開超聲清洗機，功率調至100瓦,加入去離子水，液面高度為60㎜~80㎜之間。將錫鉛合金錫箔焊料放入瓷盒中，將95%乙醇清洗液放入瓷盒，液面略高焊料上表面3㎜～5㎜，然后將整個瓷盒放入超聲清洗機的支架上(水面低于清洗液2㎜~3㎜）,清洗時間為Xmin~Xmin。將清洗完畢的焊料放入X±3℃的烘箱中烘4min～10min后,放入氮氣保護柜。導電膠，主要使用H20E導電銀膠，導電膠不用時應放入0℃～5℃的冰箱內保存。使用時從冰箱取出后，在室溫下放置15min,恢復至室溫后，用鎢針拌15min使各成份混合均勻，挑出少許攪拌好的導電膠放入小坩堝中，再攪拌15～20min以去氣（若沒有適當去氣，空氣會陷入固化的粘接劑中，在粘接層中產生空洞,這些空洞會降低電導率和熱導率甚至降低粘接強度).裝夾裝夾的過程是將焊料/導電膠放入腔體內，并裝好基片，用專用夾具固定。此步工序主要需要注意焊料/導電膠必須涂覆均勻、平整、不能有折疊角或褶皺。另外導電膠在涂覆時,厚度不能超過0.05㎜.焊料燒結/導電膠固化用錫鉛合金錫箔焊料裝夾好的產品放入已達到設定溫度的燒結爐上進行烘烤，溫度根據(jù)焊料的融化溫度設定，時間以溫度降低又重新升至設定溫度保持1min～5min后結束。錫鉛合金錫箔焊料溫度為183℃，烘烤溫度約200℃～220℃.用導電膠裝夾好的產品放入已達到設定溫度的燒結爐上進行烘烤，固化時間和溫度以導電膠廠家提供數(shù)據(jù)為依據(jù),H20E導電膠溫度為120℃，時間X小時。清理、檢驗在顯微鏡下用手術到清理多余的焊料/導電膠.如焊料/導電膠有多余溢出造成短路而又無法清理時，需報廢。清理完畢的產品按腔體的清洗工藝進行清洗并烘干.檢驗的標準按照工藝要求進行，不合格的報廢。芯片粘接工藝芯片的焊接是指半導體芯片與載體（封裝殼體或基片)形成牢固的、傳導性或絕緣性連接的方法.焊接層除了為器件提供機械連接和電連接外，還須為器件提供良好的散熱通道.芯片粘接工藝是通過環(huán)氧樹脂導電膠粘接來形成焊接層。芯片粘接工藝是采用環(huán)氧樹脂導電膠(摻雜金或銀的環(huán)氧樹脂)在芯片和載體之間形成互連和形成電和熱的良導體.環(huán)氧樹脂是穩(wěn)定的線性聚合物，在加入固化劑后，環(huán)氧基打開形成羥基并交鏈，從而由線性聚合物交鏈成網狀結構而固化成熱固性塑料。其過程由液體或粘稠液→凝膠化→固體。固化的條件主要由固化劑種類的選擇來決定。而其中摻雜的金屬含量決定了其導電、導熱性能的好壞.芯片共晶工藝芯片的焊接是指半導體芯片與載體（封裝殼體或基片）形成牢固的、傳導性或絕緣性連接的方法.焊接層除了為器件提供機械連接和電連接外,還需為器件提供良好的散熱通道。芯工共晶工藝是通過金屬合金焊料來形成焊接層。共晶是指在相對較低的溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物熔合的現(xiàn)象,共晶合金直接從固態(tài)變到液態(tài)，而不經過塑性階段.其熔化溫度稱共晶溫度.芯片共晶主要指金硅、金鍺、金錫等共晶焊接。金的熔點為1063℃，硅的熔點為1414℃，但金硅合金的熔點遠低于單質的金和硅。從二元系相圖中可以看到，含有31%的硅原子和69％的金原子的Au-Si共熔體共晶點溫度為370℃。這個共晶點是選擇合適的焊接溫度和對焊接深度進行控制的主要依據(jù)。金硅共晶焊接法就是芯片在一定的壓力下（附以摩擦或超聲)，當溫度高于共晶溫度時，金硅合金融化成液態(tài)的Au-Si共熔體.冷卻后，當溫度低于共晶溫度時，共熔體由液相變?yōu)橐跃ЯＰ问交ハ嘟Y合的機械混合物-—金硅共熔晶體而全部凝固,從而形成了牢固的歐姆接觸焊接面。金屬合金焊接還包括“軟焊料”焊接（如95Pb/5Sn，92。5Pb/5In/2。5Ag)，由于其機械強度相對較小，在半導體器件芯片焊接中不太常用.影響芯片共晶的關鍵因素共晶焊料的特性a）比純組元熔點低，簡化了熔化工藝。b）共晶合金比純金屬有更好的流動性,在凝固中可防止阻礙液體流動的枝晶形成，從而改善了鑄造性能。c）恒溫轉變(無凝固溫度范圍)減少了鑄造缺陷，如偏聚和縮孔。d)共晶凝固可獲得多種形態(tài)的顯微組織，尤其是規(guī)則排列的層狀或桿狀共晶組織，可成為優(yōu)異性能的原位復合材料.共晶焊料的選用焊料是共晶焊接非常關鍵的因素。有多種合金可以作為焊料,如AuGe、AuSn、AuSi、Snln、SnAg、SnBi等，各種焊料因其各自的特性適于不同的應用場合。如：含銀的焊料AgSn，易于與鍍層含銀的端面接合，含金、含銦的合金焊料易于與鍍層含金的端面接合.根據(jù)被焊件的熱容量大小，一般共晶爐設定的焊接溫度要高于焊料合金的共晶溫度30～50℃。芯片能耐受的溫度與焊料的共晶溫度也是進行共晶時應當關注的問題。如果焊料的共晶溫度過高，就會影響芯片材料的物理化學性質，使芯片失效。因此焊料的選用要考慮鍍層的成份與被焊件的耐受溫度。此外，如焊料存放時間過長，會使其表面的氧化層過厚,因焊接過程中沒有人工干預,氧化層是很難去除的，焊料熔化后留下的氧化膜會在焊后形成空洞。在焊接過程中向爐腔內充入少量氫氣，可以起到還原部分氧化物的作用，但最好是使用新焊料，使氧化程度降到最低。溫度控制工藝曲線參數(shù)的確立共晶時的熱損耗,熱應力，濕度，顆粒以及沖擊或振動是影響焊接效果關鍵因素.熱損傷會影響薄膜器件的性能。濕度過高可能引起粘連,磨損，附著現(xiàn)象。無效的熱部件會影響熱的傳導.共晶時最常見的問題是基座的溫度低于共晶溫度。在這種情況下,焊料仍能熔化,但沒有足夠的溫度來擴散芯片背面的鍍金層,而操作者容易誤認為焊料熔化就是共晶了。另一方面，用過長的時間來加熱基座會導致電路金屬的損壞，可見共晶時溫度和時間的控制是十分重要的。由于以上原因，溫度曲線的設置是共晶好壞的重要因素。由于共晶時需要的溫度較高,特別是用AuGe焊料共晶，對基板及薄膜電路的耐高溫特性提出了要求。要求電路能承受400℃的高溫，在該溫度下，電阻及導電性能不能有改變.因此共晶的一個關鍵因素是溫度，它不是單純的到達某個定值溫度，而是要經過一個溫度曲線變化的過程，在溫度變化中，還要具備處理任何隨機事件的能力,如抽真空、充氣、排氣等事件。這些都是共晶爐設備具備的功能.多芯片共晶的溫度控制與單芯片共晶不同。多芯片共晶時會出現(xiàn)芯片材料不同，共晶焊料不同，因此共晶溫度不同的情況。這時需要采用階梯共晶的方法.一般先對溫度高的共晶焊料共晶,再共晶溫度低的.共晶爐控制系統(tǒng)可以設定多條溫度曲線,每條溫度曲線可以設定9段,通過鏈接的方式可擴展到81段,在溫度曲線運行過程中可增加充氣、抽真空、排氣等工藝步驟。芯片載體的選擇芯片載體的導電性能，導熱性能以及CTE,是選用的參考標準。另外載體鍍層厚度同樣直接影響共晶焊接的強度，鍍層太薄會造成焊料不能充分浸潤,而導致形成空洞、焊接不牢，甚至掉片。鍍層太厚成本太高.載體粗糙度及清洗載體表面不同的粗糙度對共晶效果有一定影響.載體鍍金層表面的潔凈度對焊接的質量影響也大，表面的無機物、有機污物,氧化物等都會造成共晶焊層的空洞，從而影響共晶質量。工藝參數(shù)的設定共晶參數(shù)除了溫度控制工藝曲線以外，在不使用共晶爐，而采用共晶貼片機時,還需對溫度、時間、氣氛、摩擦速度、摩擦行程、摩擦時間、不同芯片大小、焊料大小、共晶臺溫度設置等參數(shù)通過多次實驗來確定合適范圍?？斩绰实目刂瓶斩吹亩嗌僦苯雨P系到芯片的散熱、可靠性的高低,是共晶工藝首要需要解決的問題.它和焊料、溫度、環(huán)境潔凈度、材質、時間等多個因素都有關。只有通過實驗，優(yōu)化工藝參數(shù)來控制空洞率。金絲鍵合工藝金絲鍵合指使用金屬絲（金線等)，利用熱壓或超聲能源,完成微電子器件中固電路內部互連接線的連接，即芯片與電路或引線框架之間的連接。金絲鍵合按照鍵合方式和焊點的不同分為球鍵合和楔鍵合。金絲球鍵合過程金線通過空心夾具的毛細管穿出，然后經過電弧放電使伸出部分熔化，并在表面張力作用下成球形,然后通過夾具將球壓焊到芯片的電極上,壓下后作為第一個焊點，為球焊點，然后從第一個焊點抽出彎曲的金線再壓焊到相應的位置上,形成第二個焊點，為平焊(楔形）焊點，然后又形成另一個新球用作于下一個的第一個球焊點。金絲楔鍵合過程金絲楔鍵合是將兩個楔形焊點壓下形成連接,在這種工藝中沒有球形成.楔焊過程圖見圖4-5,楔焊焊點實拍圖見圖4-6。金絲球鍵合和金絲楔鍵合的區(qū)別a）金絲球鍵合和金絲楔鍵合的鍵合方式不同從兩種鍵合方式的示意圖可知，球焊的第一點為球形焊點,第二點為楔形焊點，鍵合過程沒有方向的限制.球鍵合示意圖和焊點示意圖見圖4-7、4—8。楔焊的兩個焊點均為楔形焊點，鍵合過程只能前后方向鍵合。楔鍵合示意圖和焊點示意圖見圖4—9、4—10.b）金絲球鍵合和金絲楔鍵合所用劈刀不同球焊選用毛細管頭（陶瓷或鎢制成）。焊點是在熱（一般為100℃～500℃）、超聲波、壓力以及時間的綜合作用下形成的。毛細管頭工作示意圖和管頭選擇示意圖見圖4—11，4-12。楔焊選用楔形頭(陶瓷或鈦碳合金制成）.焊點是在超聲波能、壓力以及時間等參數(shù)綜合作用下形成的.一般在室溫下進行。楔形頭工作示意圖和楔形頭選擇示意圖見圖4-13，4—14。c）金絲球鍵合和金絲楔鍵合應用范圍不同楔鍵合允許的焊盤的間距為50μm,球鍵合允許的焊盤的間距大于100μm.一般來說，球鍵合的第一個焊點要比第二個位置要高，受操作空間影響較小,返修較困難，而楔鍵合返修簡單,但受制于操作空間。金絲鍵合工藝原理鍵合設備的磁致伸縮換能器在超高頻63。5KHz/115KHz正弦波磁場的感應下,迅速伸縮而產生彈性振動,經變幅桿傳給劈刀，劈刀在對金絲施加一定壓力的情況下，帶動金絲在被焊接的金表面上迅速摩擦，使金絲和金表面產生塑性形變和破壞金層界面的氧化薄膜(高熔點,不導電。在450℃，增大壓力,也不能得到較好的冶金焊接），使得兩個純凈的金屬面緊密接觸,形成牢固的冶金焊接。表面溫度和引線變形的分析表明這個過程可分成三個階段:清洗過程超聲功率主要是用來產生熱量和清洗表面和摩擦清除表面氧化層和污染層，只有很少一部分用來產生變形.在這個過程中,鍵合劈刀壓著引線在鍵合表面?；旌线^程超聲功率用來擠壓金絲和接觸表面并引起鍵合表面溫度明顯上升.發(fā)生局部焊接和引線焊接到焊盤上。劈刀磨擦基本上固定了引線,焊絲的溫度進一步上升。擴散過程沒有明顯的變形和溫度上升。鍵合劈刀磨擦在引線表面產生的熱量使得焊點表面溫度上升,進一步松弛了焊接的區(qū)域.這個回火的過程通過校正擴散接觸面，穩(wěn)定鍵合點，使它不會太脆影響金絲鍵合質量的關鍵因素選擇適應的鍵合方式和劈刀楔鍵合允許的焊盤的間距為50μm，球鍵合允許的焊盤的間距大于100μm，楔鍵合只能進行前后方向的鍵合,但更適用于深腔鍵合.在選擇劈刀上，應根據(jù)腔體內的形狀,芯片鍵合的位置等因素來選擇適應的劈刀，從而從源頭上開始控制鍵合的質量。楔鍵合劈刀和球鍵合毛細管頭的鍵合配合示意圖見圖4—15、4—16.金絲的選擇和儲存直徑=25微米金絲。重量=8。731～10。247（mg/m).破壞強度>11~17（g）。直徑=18微米金絲。重量=4。127～5。188(mg/m）.破壞強度〉4～8（g）。根據(jù)產品電路對金絲的要求以及金絲的特性綜合考慮.金絲在不使用時，必須放入氮氣柜保存，時間不超過六個月。避免因金絲氧化問題而導致鍵合不良。焊盤鍍金層厚度基板上焊盤的鍍金層厚度大小直接與金線鍵合的強度有關，鍍金層越厚，鍵合的可焊性越好,焊點越牢固，但是鍍金層越厚成本也越高。由于鍍金層厚度和可焊性之間也不是簡單的線性關系，所以需要通過實驗尋找一個最優(yōu)的值，在保證達到鍵合強度要求的情況下，鍍金層厚度最小.清洗鍍金層表面的潔凈度對鍵合的質量影響也大。表面的無機雜質、有機污物、氧化物等都會影響金線鍵合的強度和可靠性，需要通過實驗研究潔凈度和鍵合強度之間的關系。工藝參數(shù)的設定鍵合工藝參數(shù)包括鍵合溫度、劈刀壓力、超聲功率與作用時間等,鍵合工藝參數(shù)互相匹配,不能單獨強調某個方面的作用，根據(jù)不同材料的特性和實際情況選擇相應的參數(shù)形成最佳配合，也就是將這些參數(shù)優(yōu)化組合到最好。線弧高度和長度的控制由于引線是裸露的,沒有絕緣層保護,若引線接觸就會導致短路失效.因此引線的線弧高度和長度要基本保持一致。需要分析影響弧度高度的原因，以保證線的弧度和高度符合要求。金絲鍵合的失效模式、不良現(xiàn)象及解決方法金絲鍵合成功的標志都是所有鍵合點應牢固、無虛焊、無短路、不允許有不符合鍵合圖要求的、遺漏的、額外的鍵合絲，引線的高度、弧度基本一致，焊點形狀符合要求，一致性好等等。在進行金絲鍵合工藝開發(fā)前，必須清楚鍵合失效、不良現(xiàn)象的原因以及相應解決辦法。失效模式及解決方法焊球形成失效a)焊盤或金屬球表面被油、手印、灰塵或前道工序留下的有機物污染。由于在高密度引線球鍵合中，金屬熔球與焊盤的尺寸很小，因此對鍵合表面的清潔程度非常敏感.鍵合表面的輕微污染都可能導致兩者之間的原子不能擴散，造成失效。對于這種情況，進行等離子清洗解決。b）由于上一輪鍵合完成后，引線尾絲過短或者電火花的放電電流不穩(wěn)定、放電時間過短造成形成的金屬熔球過小，使其與焊盤之間的金屬間化合物不能有效的形成.對于這種情況，調整尾絲長度，或者加大打球電路和打球時間進行解決。引線鍵合的彈坑造成失效焊盤不清潔或者環(huán)境潔凈度未達到要求,不僅會造成焊球失效，還會造成彈坑失效。如圖4—16所示，焊點直接彈出焊盤,造成失效。出現(xiàn)這種情況，應該加強所有環(huán)境的清潔控制。引線鍵合的斷裂造成失效焊接根部在超聲焊接期間已經過度疲勞